專(zhuān)利名稱(chēng)：微小型結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微加工和微制造技術(shù)，具體涉及其基礎(chǔ)不同于常規(guī)薄膜多晶硅制造技術(shù)的集成化微小型結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。
微技術(shù)包羅了多種源自應(yīng)用于半導(dǎo)體和集成電路制造過(guò)程的集成化微加工技術(shù)。這些技術(shù)包括化學(xué)蝕刻、反應(yīng)離子蝕刻、氧化蝕刻、干式等離子體蝕刻、金屬化、金屬淀積、光刻、熱擴(kuò)散、離子注入和化學(xué)汽相淀積。近年來(lái)，微加工和微制造技術(shù)有利于大量地和低成本地用來(lái)提供各種有源和無(wú)源的微結(jié)構(gòu)。在推薦的許多結(jié)構(gòu)中，有致動(dòng)器和傳感器、微電機(jī)和各種其它器件，包括可動(dòng)鉸接、杠桿、齒輪、滑動(dòng)器、彈簧及其它。
傳統(tǒng)上，表面加工的微結(jié)構(gòu)是以多晶硅為基礎(chǔ)的。這些結(jié)構(gòu)通常是用化學(xué)汽相淀積的多晶硅薄膜來(lái)制造的，薄膜被蝕刻以產(chǎn)生出1-2微米厚度數(shù)量級(jí)的各結(jié)構(gòu)層。這類(lèi)極小的厚度表現(xiàn)了以多晶硅為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)的固有界限，它限制了它們?cè)谀承?yīng)用中的有效性。例如，已經(jīng)生產(chǎn)出一些多晶硅微致動(dòng)器，它們能產(chǎn)生出亞微牛頓量級(jí)的恒定力和亞毫微牛頓-米量級(jí)的力矩。這些器件可用來(lái)在兆赫的頻率上移動(dòng)微小物體。另一方面，有時(shí)希望移動(dòng)具有1立方毫米尺寸的物體，或者還希望加速度值高達(dá)100G。為此，便需要有毫牛頓量級(jí)的力。在這種水平上生產(chǎn)微結(jié)構(gòu)需要一種可提供出足夠垂直或不共面的剛性的設(shè)計(jì)，而在加速度方向有非常低的機(jī)械剛度，使得用以移動(dòng)一個(gè)物體的可用能量為最大。
美國(guó)專(zhuān)利U.S.PatentNo.5025346中提出了在一個(gè)保護(hù)系統(tǒng)中應(yīng)用多晶硅薄膜技術(shù)的側(cè)向驅(qū)動(dòng)共振微致動(dòng)器結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。其加工是基于一種四掩模過(guò)程，其中，在一個(gè)磷硅玻璃(PSG)的保護(hù)層上用低壓化學(xué)汽相淀積法(LPCVD)淀積上一個(gè)2微米厚了多晶硅層。經(jīng)適當(dāng)刻成圖案之后，該保護(hù)層被溶解掉而產(chǎn)生出一個(gè)獨(dú)立式的致動(dòng)器結(jié)構(gòu)和懸掛系統(tǒng)。這懸掛系統(tǒng)包含有許多多晶硅支梁，它們對(duì)致動(dòng)器在結(jié)構(gòu)平面內(nèi)的高頻側(cè)向移動(dòng)給以支持。然而，在僅為2微米的垂直厚度下，懸掛支梁只有很小的垂直剛度，即垂直于所希望的加速方向的剛度。這樣低的垂直剛度會(huì)導(dǎo)致不希望有的大的垂直移動(dòng)。幸而，隨著給定方向上厚度的增加，在該方向上機(jī)械剛度的增加為厚度的三次方的函數(shù)。另一方面，在正交方向上剛度的增加則只是按線(xiàn)性變化的。
因此，在微結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中，特別是在具有獨(dú)立式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中，將希望增加垂直結(jié)構(gòu)的厚度。這便需要有這樣的制造方法，它們能克服常規(guī)薄膜淀積技術(shù)上的厚度限制。而且，由于在加速方向上結(jié)構(gòu)厚度方面的制約，因此，需要有一些能制造出具有大的縱橫比(即垂直與側(cè)向厚度之比)結(jié)構(gòu)的技術(shù)。盡管已經(jīng)提出的各種各樣的X射線(xiàn)技術(shù)來(lái)產(chǎn)生具有100微米量級(jí)厚度的結(jié)構(gòu)，但這類(lèi)厚度比所需的要大得多。確切些說(shuō)，希望提供出這樣的微結(jié)構(gòu)，在縱橫比約為10∶1下具有10微米量級(jí)的垂直厚度。
為此，本發(fā)明的一個(gè)基本目的和優(yōu)點(diǎn)在于提供出一種用以制造出獨(dú)立式的極小化結(jié)構(gòu)的方法，該結(jié)構(gòu)在約10∶1的縱橫比下具有10微米量級(jí)(大約在10微米之間)的垂直厚度，因而不存在多晶硅薄膜技術(shù)中所固有的厚度約束。做到這一點(diǎn)是通過(guò)應(yīng)用了另一種材料和一種先進(jìn)的光刻與電鍍技術(shù)，它容許厚結(jié)構(gòu)的微加工，不需要犧牲最小共平面特性而可增加結(jié)構(gòu)的厚度。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，采用了一種以保護(hù)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的方法，它包括選擇襯底材料的步驟，在該襯底材料上沉積一層保護(hù)材料，并將保護(hù)層刻成圖案，來(lái)規(guī)定一種形狀。在保護(hù)層上淀積一層光敏抗蝕材料，并用反差增強(qiáng)的光刻法制作圖案來(lái)形成一光敏抗蝕劑型模。在此型模上，電鍍上一層金屬材料。這電鍍結(jié)構(gòu)與光敏抗蝕層輪廓相一致，其厚度可以為多晶硅結(jié)構(gòu)厚度的許多倍。然后，用蝕刻劑使光敏抗蝕刻型模和保護(hù)層溶去，以形成一個(gè)獨(dú)立式的金屬結(jié)構(gòu)。


圖1是依照本發(fā)明制造的一個(gè)微致動(dòng)器結(jié)構(gòu)的概略平面圖。
圖2A-2M示出圖1的微致動(dòng)器結(jié)構(gòu)構(gòu)成中的各個(gè)步驟。
圖3是沿圖1中3-3線(xiàn)所得到的一個(gè)剖面圖。
圖4是磁和/或光存儲(chǔ)器件中用的一種滑動(dòng)器跟蹤系統(tǒng)的一個(gè)概略端視圖。
圖5是磁和/或光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中用的一種磁頭跟蹤系統(tǒng)的一個(gè)概略側(cè)視圖。
圖6是以本發(fā)明為基礎(chǔ)構(gòu)成的一個(gè)全面積有用的、多電極微致動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)概略平面圖。
圖7是圖6中全面積有用的微致動(dòng)器一部分的一個(gè)細(xì)節(jié)圖。
現(xiàn)在，結(jié)合一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例來(lái)說(shuō)明依照本發(fā)明用于制造微小型結(jié)構(gòu)的一種方法，本實(shí)施例本質(zhì)上是示范性的，不應(yīng)理解為是對(duì)本發(fā)明的范疇的限制，本發(fā)明的范疇在所附的權(quán)利要求書(shū)中完全作出限定。
在圖1的實(shí)施例中，形成一種微小型化結(jié)構(gòu)，如一個(gè)靜電微致動(dòng)器器件10。該器體10包括一個(gè)襯底12，其上面安裝著一對(duì)間隔開(kāi)的金屬支撐14和16，它們安排在襯底12上兩個(gè)相對(duì)的縱向端，并在襯底12上形成另一對(duì)間隔開(kāi)的金屬固定器18和20，它們安排在襯底12上兩個(gè)相對(duì)的橫向端處，位于支撐14和16的中間。在支撐14和16之間懸掛著一個(gè)獨(dú)立式的金屬致動(dòng)器22，它通過(guò)許多金屬懸掛構(gòu)件24、26、28和30安裝在支撐14和16上。這些懸掛構(gòu)件是將致動(dòng)器22鉸接到支撐14和16上的一些撓性支梁，因而允許致動(dòng)器12在圖1中箭頭示出的A-A方向上作共面運(yùn)動(dòng)。為了促進(jìn)這運(yùn)動(dòng)，圖1中由尺寸“d”所表示的這些懸掛構(gòu)件的厚度是相當(dāng)薄的。因而，對(duì)于大約為1毫米的微致動(dòng)器結(jié)構(gòu)的最大尺寸，“d”的厚度約為1微米。這就保證了有足夠的懸掛撓性來(lái)使得致動(dòng)器22可在所示的A-A方向上被驅(qū)動(dòng)。用來(lái)使致動(dòng)器22移位的驅(qū)動(dòng)力是由固定器18和20提供的。固定器18和20上均包含有許多各自向內(nèi)伸展的電極32和34。致動(dòng)器22上則包含有許多向外伸展的電極36和38。致動(dòng)器電極36和38分別與固定器電極32和34相互地交錯(cuò)或叉指。在固定器18和20與位于致動(dòng)器22之下的一個(gè)導(dǎo)體(圖1中未示出)間施加一個(gè)直流電壓，則會(huì)產(chǎn)生出一個(gè)靜電力，它能使得致動(dòng)器22在A-A方向上移動(dòng)，如通常所知，移動(dòng)方向取決于所加電壓的極性。
為完成致動(dòng)器結(jié)構(gòu)10，在致動(dòng)器22的上表面上形成一個(gè)耦接平臺(tái)40，由致動(dòng)器22來(lái)驅(qū)動(dòng)耦接部件。還應(yīng)指出，致動(dòng)器22上包含有許多蝕刻孔42，它們的作用是讓蝕刻劑穿過(guò)，以便在最后的脫模步驟中能對(duì)位于下部的保護(hù)層進(jìn)行掏刻，這將在下面較詳細(xì)地描述。
現(xiàn)在，轉(zhuǎn)看圖2A-2M，它們示出制造致動(dòng)器結(jié)構(gòu)10的一種優(yōu)選的方法。從圖2A開(kāi)始，它示出一個(gè)絕緣襯底12，這可以是由一硅片以常規(guī)制造方法做成的。分別用二氧化硅和氮化硅外敷層50和52使襯底12鈍化。襯底12的厚度可有所不同，但典型值約是100-500微米。二氧化硅外敷層50的厚茺約為0.5微米，氮化硅外敷層52的厚度也約為0.5微米。在氮化硅外敷層52的表面上淀積一個(gè)薄的金屬導(dǎo)電層54，其厚度亦約為0.5微米。該金屬導(dǎo)電層54可以是一種摻雜的半導(dǎo)體材料，例如是P型多晶硅?；蛘?，這一層可以借助于濺射上一種選定的金屬?gòu)?fù)合物來(lái)淀積成，這種金屬?gòu)?fù)合物可以包含任一種過(guò)渡元素，包括銅或鉻。
在淀積之后，用光刻和等離子體蝕刻過(guò)程將金屬層54刻成圖案。如圖2B中所示，在金屬層54上形成一個(gè)光敏抗蝕層56，并將第一光掩模57置于光敏抗蝕層之上。光敏抗蝕材料可以是任一種常用型的材料。這類(lèi)材料一般具有這樣的特性，當(dāng)在一個(gè)合適的光源下曝光時(shí)，它們對(duì)隨后的用來(lái)溶解光敏抗蝕材料的光顯影變得抗蝕性較差，掩?？梢杂猛ǔ５牟牧蠘?gòu)成，諸如石英的鉻板。用一個(gè)準(zhǔn)直光源來(lái)照射光敏抗蝕劑層56，該準(zhǔn)直光源沿一個(gè)垂直于該結(jié)構(gòu)平面的軸向下照射?？蓱?yīng)用各式準(zhǔn)直光源來(lái)使光敏抗蝕材料曝光，它個(gè)有波長(zhǎng)為365毫微米左右的紫外線(xiàn)區(qū)域的光。已曝光的光敏抗蝕材料被顯影，并在大約120°F下堅(jiān)膜烘烤一小時(shí)許。使用一種通常的光敏抗蝕劑溶劑來(lái)溶解掉曝過(guò)光的光敏抗蝕劑層，以形成如圖2C中所示的一個(gè)光敏抗蝕劑層圖案。一般，光敏抗蝕材料制造廠(chǎng)家也供應(yīng)相適應(yīng)的抗蝕劑的溶劑，它與所銷(xiāo)售的光敏抗蝕材料是相適應(yīng)的。
刻成圖案的光敏抗蝕層56，借助離子體蝕刻法，將金屬層54刻成圖案。四氯化碳(CCl4)等離子體蝕刻法是較好的蝕刻方法。該蝕刻過(guò)程用來(lái)去掉金屬層54上沒(méi)有被光敏抗蝕層56所保護(hù)的那些部分。在等離子體蝕刻過(guò)程之后，使光敏抗蝕層56溶去，從而產(chǎn)生出如圖2D中所示的一種刻成圖案的金屬層54。
再在金屬導(dǎo)電層54和氮化硅外敷層52的上面淀積一層用玻璃材料做成的保護(hù)層58，玻璃材料最好采用磷硅玻璃(PSG)。這一結(jié)構(gòu)示明于圖2E。這個(gè)磷硅玻璃保護(hù)層是用低壓化學(xué)汽相淀積法(LPCVD)或等離子體增強(qiáng)型化學(xué)汽相淀積法(PECVD)淀積的。在淀積之后，保護(hù)層58刻圖案成平臺(tái)式，它將被用來(lái)確定支撐14和16及固定器18和20的內(nèi)部尺寸。如圖2F中所示，在保護(hù)層58上涂敷一層光敏抗蝕層60，并用一個(gè)第二光掩模61放在光敏抗蝕層60和保護(hù)層58上面，然后用一個(gè)準(zhǔn)直光源來(lái)照射光敏抗蝕層60和保護(hù)層58，而該準(zhǔn)直光源則沿一個(gè)垂直于該結(jié)構(gòu)平面的軸向下照射。為此，仍可應(yīng)用任一種通常用的光敏抗蝕材料和任一種常用的掩模材料，諸如石英鉻板。也可應(yīng)用各式準(zhǔn)直光源來(lái)使光敏抗蝕材料曝光，它波長(zhǎng)為365毫微米左右的紫光線(xiàn)區(qū)域的光。已曝光的光敏抗蝕材料被顯影，并在大約120°F下堅(jiān)膜烘烤一小時(shí)許。用一種氟化氫為基的溶液，諸如氫氟酸來(lái)溶去曝光的磷硅玻璃。最后，在一種光敏抗蝕劑的溶劑中使留下的光敏抗蝕材料被溶去，以產(chǎn)生出如圖2G中所示的刻成圖案的保護(hù)層58。
在保護(hù)層58和氮化硅層52上再用濺射法淀積上一個(gè)電鍍籽晶層62(圖中未示出)。該電鍍籽晶層62可以由某種金屬元素來(lái)形成，最好用銅、鎳或鉻來(lái)做成。電鍍籽晶層62一旦淀積好后，在這電鍍籽晶層62上又淀積一個(gè)光敏抗蝕層62，如圖2H中所示。該光敏抗蝕層62延伸到襯底12的整個(gè)面積范圍內(nèi)，而保護(hù)層58配置在其下面的中央位置處。該光敏抗蝕層62的厚度將決定包括支撐14和16與固定器18和20以及致動(dòng)器22在內(nèi)的各金屬構(gòu)件的厚度。依此，作為例子，光敏抗蝕層62可以厚約10微米量級(jí)，或者厚度在10-20微米的范圍內(nèi)。最好，該光敏抗蝕層62的厚度不小于約2微米。該光敏抗蝕層62可以由通常的光敏抗蝕材料來(lái)形成，包括以商標(biāo)名稱(chēng)AZ4000和AZ6000銷(xiāo)售的產(chǎn)品。
光敏抗蝕材料以通常的方法旋涂在結(jié)構(gòu)上。此后，為圖2H中所示，在該光敏抗蝕層上涂上一個(gè)阻擋層64，而阻擋層64可以由脂肪酸鹽材料(肥皂)之類(lèi)來(lái)做成。然后，將一個(gè)反差增強(qiáng)層66旋涂在阻擋層64上。這反差增強(qiáng)層66用來(lái)在隨后的光刻期間提供強(qiáng)烈的光學(xué)反差，以便在光敏抗蝕層上顯影出邊沿十分清晰、側(cè)邊陡直的墻面。這就產(chǎn)生出一種反差增強(qiáng)的光刻結(jié)構(gòu)。反差增強(qiáng)層66最好由一種或幾種可變色染料來(lái)制成，可變包染料例如包括二芳基黃硝在內(nèi)?！翱勺兩玖稀敝傅氖沁@樣的特性，即反差增強(qiáng)層在一個(gè)光刻光源的照射下曝光時(shí)，如果照射量在一個(gè)臨界能量密度之上，反差增強(qiáng)層變成透明，而如果照射的能量較小，則反差增強(qiáng)層保持不透明狀態(tài)。反差增強(qiáng)層的作用如同一個(gè)光學(xué)開(kāi)關(guān)，根據(jù)激活情況，可使其下面的光敏抗蝕材料進(jìn)行光學(xué)顯影。這就促進(jìn)了下面的光敏抗蝕材料有均勻的光學(xué)顯影，使得光敏抗蝕材料的上部不致“過(guò)曝光”而下部保持“欠曝光”。有一種優(yōu)選的反差增強(qiáng)材料可供應(yīng)用，它是通用電氣公司(GE)生產(chǎn)的，商標(biāo)為“CEM388”。上述的臨界能量密度將隨光敏抗蝕層的厚度和反差增強(qiáng)層而變。
現(xiàn)在，參看圖2I，一個(gè)第三光掩模68被用于光敏抗蝕層62、阻擋層64和反差增強(qiáng)層66的圖案形成，為隨后的電鍍形成一個(gè)型模。這第三光掩模68可以由石英片上的鉻按通常方法制成，而帶著光敏抗蝕層62、阻擋層64和作為一種復(fù)合的正性光敏抗蝕層的反差增強(qiáng)層66。用合適的照射進(jìn)行曝光，使光敏抗蝕層有選擇的硬化，已曝光的復(fù)合光敏抗蝕層區(qū)域在隨后的光學(xué)顯影和硬化中被溶解掉，而在第三光學(xué)掩模68之下的光敏抗蝕層部分則保持原樣不變。用于復(fù)合光敏抗蝕層圖案刻制的所選用的照射光源是一種低數(shù)值孔徑(NA)的投影系統(tǒng)。該系統(tǒng)在紫外線(xiàn)范圍內(nèi)提供出高度準(zhǔn)直的照射光線(xiàn)，最好波長(zhǎng)為365毫微米左右，其照射方向真正垂直于該結(jié)構(gòu)的平面。然后，已曝光的光敏抗蝕層被顯影，但并不需緊膜烘烤。
復(fù)合光敏抗蝕層制成圖案產(chǎn)生出一個(gè)型模結(jié)構(gòu)，如圖2J中所示，它確定了圖1中示出的金屬支撐14和16、致動(dòng)器22及固定器18和20的結(jié)構(gòu)形狀。并且，確定了許多蝕刻孔42。應(yīng)用所述的光刻刻圖案方法，光敏抗蝕模版或型模的厚度可達(dá)20微米，縱橫比能容易做到9∶1至10∶1，甚至更高;這樣，可允許金屬結(jié)構(gòu)的顯影在不共面方向上(以圖1為基準(zhǔn))相當(dāng)厚，而諸如在結(jié)構(gòu)平面中所形成的各交錯(cuò)電極間的間隔方面，則可具有極薄的特點(diǎn)。依靠上面所述那樣形成的光敏抗蝕層，應(yīng)用電鍍籽晶層作為一個(gè)電鍍電極，由電鍍方法可淀積成一個(gè)如圖2K中所示的金屬結(jié)構(gòu)68。電鍍材料可以是任一種金屬元素，而當(dāng)保護(hù)層為磷硅玻璃時(shí)，電鍍材料最好是一種過(guò)渡元素，諸如銅、鎳或鉻。
在金屬電鍍步驟之后，在電鍍的金屬層68上依靠淀積一個(gè)光敏抗蝕層70來(lái)生成耦接平臺(tái)40。該光敏抗蝕層70由一種通常的光敏抗蝕材料制成。在光敏抗蝕層70上放置一個(gè)第四光掩模72。同樣，該光掩模72是一種通常的材料，諸如石英的鉻版。這類(lèi)結(jié)構(gòu)示于圖2L中。光敏抗蝕層70在一個(gè)準(zhǔn)直光源下曝光，該準(zhǔn)直光源提供出波長(zhǎng)約365毫微米的紫外線(xiàn)范圍的光線(xiàn)。此光線(xiàn)沿一個(gè)垂直于該結(jié)構(gòu)平面的軸向下照射。然后，已曝光的光敏抗蝕層被顯影，但不堅(jiān)膜烘烤。此后，刻成圖案的光敏抗蝕層被用作一個(gè)電鍍型模，以形成一個(gè)金屬結(jié)構(gòu)74，如圖2M中所示。當(dāng)光敏抗蝕層70被溶去后，該結(jié)構(gòu)形成了耦接平臺(tái)40。
在構(gòu)成耦接平臺(tái)40之后，余留的復(fù)合光敏抗蝕層，包括層62、64和66及籽晶層和保護(hù)層58，都被溶去，以形成金屬支撐結(jié)構(gòu)14和16、固定器結(jié)構(gòu)18和20，以及包括懸掛構(gòu)件24-30和交錯(cuò)電極32-38的獨(dú)立式致動(dòng)器結(jié)構(gòu)22。此種結(jié)構(gòu)的一個(gè)截面圖示于圖3。用于溶去保護(hù)層58的蝕刻劑，當(dāng)保護(hù)層58是由磷硅玻璃制成和金屬結(jié)構(gòu)是由銅或鉻制成時(shí)，最好采用氫氟酸溶液或任一種其它的合適的氟化氫基溶液。這些材料有利于在室溫下提供出每分鐘約1微米的蝕刻速率，并對(duì)保護(hù)材料會(huì)更高些，而銅或鉻金屬結(jié)構(gòu)的蝕刻速率則可忽略不計(jì)。因此，對(duì)于磷硅玻璃保護(hù)層58和銅或鉻的金屬結(jié)構(gòu)68而言，氟化氫基蝕刻劑具有良好的選擇性蝕刻。
可認(rèn)識(shí)到，應(yīng)用上面所描述的制造方法，可以方便地形成具有高的縱橫比的結(jié)構(gòu)。高的縱橫比結(jié)構(gòu)可期望有很多的用途，諸如微致動(dòng)器10;其中，既希望垂直偏移或不共面偏移最小，同時(shí)要產(chǎn)生出充分的共平面致動(dòng)力。例如，高縱橫比的微致動(dòng)器可以在磁記錄或光記錄的亞微米跟蹤中得到低成本的應(yīng)用。此種應(yīng)用的兩個(gè)例子示于圖4和圖5。圖4示出一個(gè)滑動(dòng)器跟蹤系統(tǒng)100，它有一個(gè)按照本發(fā)明構(gòu)成的微致動(dòng)器102，夾插在一個(gè)跟蹤臂懸掛組件104與一個(gè)滑動(dòng)器106之間，滑動(dòng)器106上安裝有一對(duì)磁頭108和110。如圖4所示，微致動(dòng)器102包括一個(gè)襯底112、一個(gè)獨(dú)立式的致動(dòng)器結(jié)構(gòu)114和一個(gè)上面安裝有滑動(dòng)器106的耦接平臺(tái)116。圖4這種器件可以構(gòu)造成具有大的垂直剛度(40千牛頓/米)和1毫牛頓力，這1毫牛頓力可以就10毫克的負(fù)載作1微米的跟蹤，提供出1.6千赫的帶寬。
圖5中說(shuō)明另一種構(gòu)造的磁頭跟蹤系統(tǒng)120。如圖5所示，滑動(dòng)器122具有一個(gè)下部空氣軸承表面124。通過(guò)一個(gè)按照本發(fā)明構(gòu)成的微致動(dòng)器結(jié)構(gòu)128，將一個(gè)薄膜磁頭126安裝到滑動(dòng)器122上。同樣，由微致動(dòng)器128可提供極精細(xì)的跟蹤校正。
圖6和圖7說(shuō)明用以產(chǎn)生共平面致動(dòng)力的一個(gè)優(yōu)選的微致動(dòng)器構(gòu)造，這里指的是全面積有用的多電極微致動(dòng)器結(jié)構(gòu)130。這一電極樹(shù)結(jié)構(gòu)包括有一對(duì)固定器132和134，它們各自分別有著許多樹(shù)枝136和138。每一樹(shù)枝又包含有許多支叉140和142，它們由此出發(fā)向外作側(cè)向延伸，圖7中更清楚地予以示明。該樹(shù)結(jié)構(gòu)還包括有一個(gè)包含著許多樹(shù)枝146的致動(dòng)器144，每一樹(shù)枝146又有許多電極支叉148，它由此出發(fā)側(cè)向向外延伸，這也示明于圖7中。致動(dòng)器144借助許多懸掛構(gòu)件150、152、154和156安裝到一對(duì)支撐結(jié)構(gòu)158和160上。在本方法中，每一對(duì)支叉形成一個(gè)能量變換單元，它們遍及整個(gè)面積區(qū)，或以高效地將電場(chǎng)能量變換成力或力矩，并能在一個(gè)小的運(yùn)用范圍內(nèi)維持一個(gè)恒定的輸出一輸入關(guān)系?？梢赃@樣地估算如果圖6和圖7結(jié)構(gòu)包圍的尺寸為1毫米×1毫米的面積，不共面厚度20微米，各電極的寬度6微米，空氣隙2微米，樹(shù)枝寬度10微米，樹(shù)枝間隔25微米，叉指形支叉5微米，等等，而最大電壓100伏，則可以得到1.1毫牛頓的側(cè)向力。為了結(jié)構(gòu)的完整性，對(duì)電極樹(shù)結(jié)構(gòu)130可以配備一個(gè)頂板，以使全部可移動(dòng)的致動(dòng)器電極樹(shù)枝固定在一起。該頂板可以為金屬板，也可以由一種加工方面兼容的電介質(zhì)材料形成。假若在頂板與固定器電極樹(shù)枝之間有5微米的間隔，則可以估算出，將產(chǎn)生一個(gè)小的0.3毫牛頓的垂直力。對(duì)于一個(gè)由多晶硅制成的可予比較的結(jié)構(gòu)，該垂直剛度至少在量值上要比之大三個(gè)數(shù)量級(jí)，它應(yīng)能以最小的不共面偏移來(lái)適應(yīng)此負(fù)載。
于此，揭示了一種微小型結(jié)構(gòu)及其特造方法。雖然，已示明和描述了本發(fā)明的幾個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，但應(yīng)理解到，在該技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的熟練人員對(duì)這方面會(huì)作出變型和修改。所以，對(duì)本發(fā)明所作的保護(hù)不應(yīng)受此限制，而僅受所附的權(quán)利要求書(shū)的精神限制。
權(quán)利要求
1.一種制造微小型結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于有以下步驟選定一種襯底材料；在襯底材料表面上淀積一層保護(hù)材料；將保護(hù)層刻成圖案以規(guī)定一種形狀；在保護(hù)層上淀積一層光敏抗蝕材料；用反差增強(qiáng)光刻法，將光敏抗蝕層刻成圖案，以形成一個(gè)光敏抗蝕型模；在光敏抗蝕型模上，電鍍上一層金屬層材料；應(yīng)用蝕刻劑來(lái)溶去光敏抗蝕型模和保護(hù)層，以形成一個(gè)獨(dú)立式的金屬結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，所述的保護(hù)層、金屬層和蝕刻劑都選擇得能提供出高的蝕刻選擇性，以使得對(duì)保護(hù)層的蝕刻要比對(duì)金屬層的蝕刻有顯著地更高的速率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，所述的保護(hù)層是由一種玻璃材料構(gòu)成的，金屬層是由一種過(guò)渡元素構(gòu)成的，蝕刻劑是由一種HF-基材料制成的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，所述的保護(hù)層是磷硅玻璃(PSG)，金屬層是銅或鉻，蝕刻劑是氫氟酸(HF)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，在所述的淀積一個(gè)光敏抗蝕層的步驟中，還包括在該光敏抗蝕層上淀積一個(gè)反差增強(qiáng)層的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，在所述的淀積一個(gè)光敏抗蝕層的步驟中，還包括在光敏抗蝕層上淀積一個(gè)阻擋層和在阻擋層上淀積一個(gè)反差增強(qiáng)層的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求4中所述的方法，其特征在于，所述的反差增強(qiáng)層是由具有一種可變色染料的混合物組成的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，所述的將光敏抗蝕層刻成圖案的步驟中包括掩散光敏抗蝕層和對(duì)未掩散的光敏抗蝕層部分進(jìn)行曝光，曝光中應(yīng)用一個(gè)小數(shù)值孔徑的投影系統(tǒng)，它提供出波長(zhǎng)約365毫/微米的準(zhǔn)直光源照射光線(xiàn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，所述的光敏抗蝕層的厚度不小于雞2微米。
10.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，所述的光敏抗蝕層被刻成圖案，以提供具有最大縱橫比至少為9∶1的一個(gè)獨(dú)立式結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本方法包括選擇一種襯底材料、在襯底材料上淀積一層保護(hù)材料、將保護(hù)層刻成圖案以規(guī)定形狀的步驟。在保護(hù)層上淀積一層光敏抗蝕材料，用反差增強(qiáng)光刻法，刻成圖案以形成一光敏抗蝕型模并在其上電鍍一層金屬材料。電鍍結(jié)構(gòu)與光敏抗蝕層輪廓共形，而厚度可比通常的多晶硅微結(jié)構(gòu)大許多倍。然后用蝕刻劑使光敏抗蝕型模和保護(hù)層溶去，以形成10—20微米厚的一個(gè)獨(dú)立式金屬結(jié)構(gòu)，其縱橫比可達(dá)9∶1到10∶1，甚至更高。
文檔編號(hào)H02N1/00GK1085667SQ93116450
公開(kāi)日1994年4月20日 申請(qǐng)日期1993年8月21日 優(yōu)先權(quán)日1992年9月21日
發(fā)明者范龍身, 漢斯·赫爾姆特·扎普 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司